L’astronomie mésopotamienne désigne les théories et les méthodes astronomiques développées dans l’ancienne Mésopotamie, en particulier durant le en Assyrie (nord de l'Irak actuel) et en Babylonie (sud de l'Irak), étudiant les phénomènes célestes réguliers.
La première démarche nécessaire à la construction d'un savoir astronomique était l'observation des phénomènes astraux, donc une démarche empirique. Les Mésopotamiens en avaient une définition large, puisqu'elle incluait non seulement le Soleil, la Lune, les planètes, étoiles et autres astres, mais aussi les phénomènes météorologiques, donc tout ce qui est visible dans le ciel. Le point de référence des observations célestes était l'horizon. Aussi les phénomènes qui ont attiré l'attention en priorité, depuis les premiers temps, sont les levers et les couchers des astres, donc leurs premières et dernières visibilités dans le ciel, et les périodes synodiques (le temps mis par un astre pour revenir à une même configuration). Ce sont les mouvements et les changements d'apparence de la Lune qui ont été avant tout scrutés, parce qu'ils déterminaient le rythme du mois, le moment du changement de mois étant situé au soir où apparaissait la nouvelle lune à l'ouest. Les changements de phase lunaire ont donc été observés avec attention et notés, ainsi que les éclipses lunaires qui avaient une importance particulière en religion (c'est moins le cas des éclipses solaires). Les mouvements des planètes visibles à l’œil nu (les planètes inférieures Mercure, Vénus et les planètes supérieures Mars, Jupiter et Saturne) ont été un sujet secondaire d'observation et d'analyse.
Les savants de la Babylonie de la seconde moitié du ont considérablement amélioré les observations astronomiques de leurs prédécesseurs, et mis au point des prédictions astronomiques très abouties à partir des cycles observés, mettant finalement au point des modèles mathématiques leur permettant de préciser encore plus leurs prévisions. Cette astronomie prédictive est vue comme la principale contribution mésopotamienne à l'astronomie « scientifique ».